Расчет ректификационной установки

Расчет  тарельчатой ректификационной колонны

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с  ситчатыми тарелками для разделения 7,5 т/ч жидкой смеси, содержащей 40% (масс) хлороформа и 60% (масс) бензола. Требуемое содержание хлороформа в дистилляте 98% (масс), в кубовом остатке 4,5% (масс). Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения.  
Материальный баланс.  
Обозначим массовый расход через GD кг/ч, кубового остатка через GW кг/ч 
Из уравнений материального баланса находим массовые расходы:  
GW + GD = GF;  
GW ∙ xW + GD ∙ xD = GF ∙ xF;  
GW + GD = 7500;  
GW ∙ 0.98 + GD ∙ 0.045 = 7500 ∙ 0.4;  
GD = 4650 кг/ч;  
GW = 2850 кг/ч.  
Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.  
Питание 
 
Дистиллят 
 
Кубовый остаток 
 
Относительный мольный расход питания:  
  
Минимальное число флегмы 
, где у*F - мольная доля хлороформа в паре, равновесном с жидкостью питания, определены по диаграмме у* - х.  
Рабочее число флегмы  
R= 1.3Rmin + 0.3 = 1.3. ∙ 5,1 + 0.3 = 6.9 
Уравнения рабочих линий:  
А) верхней части колонны 
 
Б) нижней части колонны:  
 
Определение скорости пара и диаметра колонны.  
Средние концентрации жидкости:  
А) в верхней части колонны 
 
Б) в нижней части колонны:  
 
Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:  
А) в верхней части колонны 
 
Б) в нижней части колонны:  
 
средние температуры пара определяем по диаграмме t – x, у:  
А) при     , 
Б) при     .  
Средние мольные массы и плотности пара:  
А)   
Б)   
Средняя плотность пара в колонне:   
Температура в верху колонны при хD = 0.97 равняется 63 0С, а в кубе-испарителе при хW = 0.03 она равна 80,5 0С.  
Плотность жидкого хлороформа при 63 0С:   
Плотность жидкого бензола при 80,30С:   
Средняя плотность жидкости в колонне:   
Принимаем расстояние между тарелками h = 300мм. для ситчатых тарелок по графику находим С=0,032. Скорость пара в колонне:  
 
Объемный расход проходящий через колонну пара при средней температуре в колонне tCP = (63+80.5) /2 = 720С:  
 
Диаметр колонны:  
 DCT = 2200мм.  
Тогда скорость пара в колонне будет:  
 
Гидравлический расчет тарелок.  
Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d0 = 4 мм, высота сливной перегородки hП = 40мм. свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментами, составляет 20% от общей площади тарелки.  
Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению:  
∆р = ∆рсух + ∆рσ + ∆рпж.  
А) Верхняя часть колонны.  
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:  
, где  
ζ = 1,82 – коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7 – 10%;  
w0 = 0,66/0,08 = 8,3 м/с – скорость пара в отверстиях тарелки.  
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:  
, где  
σ – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 74,4 0С.  
 
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:  
∆рпж = 1,3hпжρпжgk 
Высота парожидкостного слоя:  
hпж = hп + ∆h 
величину ∆h – высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:  
, где Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П – периметр сливной перегородки, м; k = ρпж/ρж – отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.  
Объемный расход жидкости в верхней части колонны:  
 
Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений:  
, где R = 0,9 м – радиус тарелки; 2/3Пb – приближенное значение площади сегмента.  
Решение дает: П = 1,32 м; b= 0.289 м. находим ∆h:  
 
Высота парожидкостного слоя на тарелке:  
hпж = hп + ∆h= 0,04 + 0,032 = 0,072м.  
Сопротивление парожидкостного слоя:  
∆рпж = 1,3hпжρжgk=1,3 ∙0,072 ∙ 0,5 ∙1110,4 ∙ 9,81= 510 Па.  
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:  
∆р’ = ∆рсух + ∆рσ + ∆рпж = 232 + 20,8 + 510 = 762,8 Па.  
Б) Нижняя часть колонны:  
 
, где  
σ – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 79 0С.  
 
 
 
Высота парожидкостного слоя на тарелке:  
hпж = hп + ∆h= 0,04 + 0,03 = 0,07.  
Сопротивление парожидкостного слоя:  
∆рпж = 1,3hпжρжgk=1,3 ∙0,07 ∙ 0,5 ∙1110,4 ∙ 9,81= 991 Па.  
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:  
∆р’’ = ∆рсух + ∆рσ + ∆рпж = 188 + 20,2 + 991 = 1199,2 Па.  
Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0.3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие   
Для тарелок нижней части, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:  
 Условие соблюдается.  
Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях w0min, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:  
 
Рассчитанная скорость w0min = 7,9 м/с; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.  
Определение числа тарелок и высоты колонны.  
А) наносим на диаграмму у – х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации пТ. в верхней части колонны п’T = 8, в нижней части колонны п’’T = 26, всего 34 ступени. Число тарелок рассчитывается по уравнению: п = пТ / η.  
Для определения среднего к. п. д. тарелок η находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов α = РХ / РБ, и динамический коэффициент вязкости исходной смеси μ при средней температуре в колонне, равной 72 0С.  
При этой температуре давление насыщенного пара хлороформа и бензола соответственно равны:  
, откуда α = РХ / РБ = 1292/700=1,8 
динамические коэффициенты вязкости хлороформа и бензола соответственно равны:  
 
αμ = 1,8 ∙ 0,35 = 0,62 
по графику находим η = 0,54. Длина пути жидкости на тарелке 
l = D – 2b = 2,2 – 2 ∙0.289 = 1.62 
По графику находим значение поправки на длину пути ∆ = 0,18. Средний к. п. д. тарелок: ηl = η(1 + ∆) = 0.54(1+0.18) = 0.64.  
Для сравнения рассчитаем средний к. п. д. тарелки η0 по критериальной формуле, полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:  
 
В этой формуле безразмерные комплексы:  
 
где w – скорость пара в колонне, м/с; SСВ – относительная площадь свободного сечения тарелки; hП – высота сливной перегородки, м; ρП и ρЖ – плотности пара и жидкости, кг/м3; DЖ – коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси; σ – поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.  
Коэффициент диффузии   
В нашем случае: β = 1; μЖ = 0,35 сП = 0,35∙10-3 Па∙с; М = МF = 90,4 кг/кмоль; υ = 3,7 + 14,8 + 3∙24,6 = 92,3; Т = 72 + 273 = 345К.  
 
Безразмерные комплексы:  
 
Средний к. п. д. тарелки:  
, что близко к найденному значению ηl.  
Число тарелок:  
В верхней части колонны п = п’Т / η = 8 / 0.64 = 12,5;  
В нижней части колонны п = п’’Т / η = 26 / 0.64 = 40,5.  
Общее число тарелок п = 53, с запасом 60, из них в верхней части колонны 15 и в нижней части 45 тарелок.  
Высота тарельчатой части колонны:  
НТ = (п-1) h = (60-1) 0,3= 17,7м.  
Общее гидравлическое сопротивление тарелок:  
∆р = ∆р’nв + ∆р’’nн = 762,8 ∙ 15 + 1199,2 ∙ 45 = 65406 Па 
Тепловой расчет установки.  
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:  
 
где rX и rБ – удельные теплоты конденсации при 63 0С.  
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара 
  
Здесь тепловые потери QПОТ приняты в размере 4% от полезной затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при tD = 630С, tW = 80.30С, tF = 770С; температура кипения исходной смеси tF = 770С определена из диаграммы t – x, у.  
 
Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:  
 
здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре (77+18) /2 = 47,50С  
 
Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:  
, где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре (63+25) /2 = 88 0С 
.  
Расход теплоты, отдаваемый охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:  
, где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре (80,3+25) /2 = 52,65 0С 
 
Расход греющего пара 
А) в кубе-испарителе 
, где rГ.П. = 2264000 дж/кг – удельная теплота конденсации греющего пара;  
Б) в подогревателе исходной смеси 
 
Всего: 1,2 + 0,02 = 1,22 кг/с или 4,4 т/ч.  
Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 200С:  
А) в дефлегматоре  
 
Б) в водяном холодильнике дистиллята 
 
В) в водяном холодильнике кубового остатка 
 
Всего: 0,02+0,0006+0,0015=0,0221 м3/с или 79,56 м3/ч 

1